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基础的东西说多少遍都不多——这一次,跟我们都觉得“很简单”的上拉电阻有关

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先给大家来张电路图,这是咱们HDMI接口的一个电平转换电路那几个上拉电阻R1、R2、R3、R4,基础到不能再基础的东西,却让我们在屏偶现不亮这个问题上翻了车。

咱们HDMI的DDC通道,也就是I2C,工作在5V电平,而大多数主控芯片I2C的IO电平为3.3V或1.8V,直连不行,所以需要这个电平转换电路。电路的基本原理这里就不讲了,不清楚的同学,可以参见我这篇文章当两个模块电平不一样,且需要通信时,一定要用电平转换电路

也正因为简单,咱们做过的板子里,这几个电阻的取值也没太注意,1.8k、2.7k、4.7k、10k都有人用,很容易翻车。

显示器偶现不亮。查供电正常,查热插拔检测正常,最后查到DDC通道的I2C信号才发现问题:SCL和SDA的波形上升沿是圆的,不是方的,信号质量差。用软件抓EDID,有时候能读到,有时候读不到。仔细一看,上拉电阻用的是10k——驱动能力太弱了。换成2.2k,波形变方了,EDID每次都能读到,显示器再也没有不亮过。

你看,一个我们都觉得很简单的上拉电阻,偏偏就翻了车。今天就跟大家捋捋这个上拉电阻。

01

上拉电阻是干嘛用的?  

有些芯片的引脚,是开漏输出或者开集电极输出。也就是无法直接输出高电平。它内部有个开关,打开的时候引脚接地,输出低电平。开关关掉的时候,引脚就悬空了,处于高阻态。

所以需要一个电阻,把引脚连到电源上。开关关掉的时候,电阻把电平拉上去。这就是上拉电阻的作用。

HDMI的DDC通道就是典型的开漏结构,必须加上拉电阻才能正常工作。

常见用到上拉电阻的地方还有:I2C总线(包括HDMI的DDC)单片机的开漏IO口比较器的输出按键检测等等。

电阻选多大,是个问题。选小了有麻烦,选大了也有麻烦。下面分开说。

02

电阻选小了会怎样?  

电阻越小,上拉能力越强,但代价也大。

第一个代价:增大功耗
3.3V供电,接1k电阻,电流是3.3mA;接10k电阻,电流是0.33mA,差10倍。一个电阻差几毫安不算什么,但如果板子上有10个上拉电阻,就差了几十mA,如果是电池供电的设备这个差别很明显。
第二个代价:可能烧芯片
每个IO口都有最大灌电流限制,大的有20mA左右。3.3V接1k电阻,电流3.3mA,安全;接200Ω,电流16.5mA,还在范围内;接100Ω,电流33mA,超了。超了不一定会立刻烧,但芯片会发热,寿命缩短,严重的直接冒烟。

03

电阻选大了会怎样  

电阻选大了,主要问题是速度上不去

总线上的导线芯片引脚PCB走线都会有寄生电容,上拉电阻和这个电容组成了RC充电回路。电阻越大,充电越慢,信号上升越慢,用示波器看就是上升沿变成斜坡,不是陡峭的方波。

I2C通信对上升沿时间有明确要求:

  • 100kHz标准模式下,上升沿不能超过1000ns;

  • 400kHz快速模式下,不能超过300ns

  • 1000kHz快速模式+下,不能超过120ns。

算一下:10k电阻加上200pF寄生电容(假设),RC常数是2us,充满电需要好几倍RC时间,上升沿大概1us出头。400kHz模式下,1us的上升沿已经超标了。换成2.2k电阻,RC常数是0.44us,上升沿大概0.24us,合格。

这就是HDMI的EDID读不出来的原因。DDC通道的I2C跑的是100kHz到400kHz,10k电阻上升沿太慢,EDID芯片不认。换成2.2k,问题解决。另外,电阻大了还容易被 干扰,外部噪声耦合进来,上拉电阻拉不动,电平就会乱跳。

04

怎么选型比较合适?  

没有万能值,给大家三个计算步骤,作为参考。

第一步:算最小能选多大。

最小电阻由IO口的最大灌电流决定,公式:R_min = 供电电压 / 最大灌电流。比如供电3.3V,最大灌电流20mA:3.3 / 0.02 = 165Ω。也就是说电阻不能小于165Ω,比这个再小电流就超了。

第二步:算最大能选多大。

最大电阻由通信速度决定,公式:R_max = 上升沿时间要求 / (总线电容 × 2.2) [ I2C 上升时间近似估算的一种工程简化表达]。

比如400kHz I2C,上升沿要求300ns,总线电容算200pF:0.0000003 / (0.0000000002 × 2.2) ≈ 681Ω,算出来最大只能到680Ω左右。但实际中没这么严格,很多人在400kHz下用1k、2.2k也能跑。常用的经验值:100kHz I2C用4.7k到10k,400kHz I2C用1k到2.2k,1MHz以上用470Ω到1k。

第三步:在范围内挑一个常用值。

比如你算出来最小500Ω,最大5k,那1k、2.2k、4.7k都可以。怎么选?电池供电想省电就选大一点,比如4.7k;高速通信要快就选小一点,比如1k;啥都不敏感就选4.7k,这是最常用的值。

今天的分享就到这里了,你有没有因为上拉电阻翻过车?评论区聊聊。


来源:硬件笔记本
电源电路芯片通信SCL
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2026-05-22
最近编辑:3月前
硬件笔记本
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